docx - ChidS

Chlorgas trifft auf elementares Natrium
Protokoll A06
Reaktionsgleichungen
∆
𝑁𝑎(𝑠) → 𝑁𝑎(𝑙)
𝑁𝑎(𝑙) + 𝐶𝑙(𝑔) → 𝑁𝑎𝐶𝑙(𝑠)
Zeitbedarf
Vorbereitung: 60 min.
Durchführung: 3 min.
Nachbereitung: 30 min.
Chemikalienliste
Edukte
Chemikalien
Summenformel
R-Sätze
S-Sätze
Natrium
Chlorgas
Wasser
Natriumhydrogencarbonat
Schwefelsäure
(konz., w = 96 %)
Natriumthiosulfat
Na(s)
Cl(g)
H2O(l)
14/15-34
23-36/37/38-50
-
5-8-43.7-45
9-45-61
-
Gefahrensymbole
F, C
T, N
-
NaHCO3 (s)
-
22-24/25
-
S1
H2SO4 (l)
35
26-30-45
C
S1
Na2S2O3 (s)
-
-
-
S1
Chemikalien
Summenformel
R-Sätze
S-Sätze
Natriumchlorid
NaCl(s)
-
-
Schuleinsatz
S1
S1
S1
Produkte
Gefahrensymbole
-
Schuleinsatz
S1
Gefahrensymbole
Materialien und Geräte
Filterpapier, Pinzette, Messer, Stativmaterial (2 Platten, 4 Stangen, 6 Doppelmuffen, 6 Hakenmuffen),
1 Stativring, 9 Schlauchschellen, 3 Keckklemmen, 3 Gaswaschflaschen, 1 langes Glasrohr (ø = 1,5 cm,
l = 25 cm), 2 durchbohrte Stopfen für das lange Glasrohr, 2 kurze Glasrohre, 3 kurze PVC-Schläuche
(l = 3 cm), 2 lange PVC-Schläuche (l = 50-60 cm)
Chlorgas trifft auf elementares Natrium
Protokoll A06
Versuchsaufbau
Abb. 1: Versuchsaufbau (Chlorgaszuleitung von links)
Durchführung
Augenschutz
benutzen
Schutzhandschuhe
benutzen
Schutzkleidung
benutzen
Der Versuch muss unbedingt in einem gut funktionierenden Abzug durchgeführt werden!
Als erstes wird eine gesättigte Natriumthiosulfat-Lösung in Griffweite gestellt.
Anschließend wird der Versuch gemäß Abbildung 1 aufgebaut. Dabei werden die zweite
Gaswaschflasche von links mit konzentrierter Schwefelsäure und die rechte Gaswaschflasche mit
gesättigter Natriumhydrogencarbonat-Lösung gefüllt.
Dann wird ein etwa erbsengroßes Stück Natrium zurechtgeschnitten und im Reaktionsrohr platziert.
Nun wird der Hahn der Chlorgasbombe geöffnet und das Chlorgas durch die Apparatur geleitet.
Mithilfe des Bunsenbrenners wird dann das Natrium erhitzt, bis es zu glühen beginnt. Sobald dies
erreicht ist, wird der Bunsenbrenner entfernt und die Reaktion beobachtet.
Beobachtungen
Bei Einleiten des Chlorgases entstehen in der Schwefelsäure und in der NatriumhydrogencarbonatLösung Gasblasen. Das Natrium schmilzt während des Erhitzens und bildet eine silbrig glänzende
Kugel, welche sich kurz darauf mit einer schwarzen Schicht überzieht. Sie beginnt stark zu glühen und
zu rauchen. Auch eine intensiv gelbe Flamme ist zu sehen.
Währenddessen färbt sich der Gasraum in der ersten und zweiten Gaswaschflasche grün. In der
dritten Gaswaschflasche bildet sich ein weißer Nebel/Rauch.
Chlorgas trifft auf elementares Natrium
Protokoll A06
Abb. 2: Ablaufende Reaktion
Nachdem die Reaktion beendet ist, ist ein weißer Rückstand im Reaktionsrohr zu sehen (Abb. 3).
Abb. 3: Reaktionsprodukt
Entsorgung
Zunächst lässt man die Apparatur, insbesondere die Gaswaschflaschen, im Abzug ausgasen.
Anschließend wird die Schwefelsäure neutralisiert (z.B. mit Natriumhydroxid) und in den Ausguss
entsorgt. Die Natriumhydrogencarbonat-Lösung wird mit der äquivalenten Menge an
Natriumthiosulfat-Lösung versetzt und anschließend in den Ausguss gegeben.
4 𝐶𝑙2 (𝑔) + 10 𝑁𝑎𝐻𝐶𝑂3 (𝑎𝑞) + 𝑁𝑎2 𝑆2 𝑂3 (𝑎𝑞) → 2 𝑁𝑎2 𝑆𝑂4 (𝑎𝑞) + 8 𝑁𝑎𝐶𝑙(𝑎𝑞) + 10 𝐶𝑂2 (𝑔) + 5 𝐻2 𝑂(𝑙)
Alle Teile der Apparatur, die wiederverwendet werden sollen (z.B. die Gaswaschflaschen), werden
mit Natriumthiosulfat-Lösung durchgespült. Die restlichen Teile (wie Schlauchstücke) werden in den
Feststoffabfall entsorgt.
Das Reaktionsrohr kann für Versuch „A07 Nachweis der Kochsalzbestandteile“ aufgehoben oder
ebenfalls in den Feststoffabfall entsorgt werden.
Fachliche Analyse
Unter den Metallen reagieren die Alkalimetalle (z.B. Natrium) am heftigsten mit Chlor. Dabei werden
große Energiemengen frei, welche hier vor allem in Form von Licht abgegeben werden:
2 𝑁𝑎(𝑠) + 𝐶𝑙2 (𝑔) → 2 𝑁𝑎𝐶𝑙(𝑠) + 822,56 𝑘𝐽
Im Versuch werden zwei Elemente aus verschiedenen Bereichen des Periodensystems (PSE)
kombiniert. Natrium aus der 1. Gruppe (links im PSE) und Chlor aus der 17. Gruppe (rechts im PSE).
Bei den chemischen Reaktionen zwischen den Atomen sind nur die Valenzelektronen beteiligt, davon
Chlorgas trifft auf elementares Natrium
Protokoll A06
besitzt Natrium nur eines und Chlor sieben. Alle Atome sind aber bestrebt, eine abgeschlossene
Außenschale, d.h. acht Valenzelektronen zu besitzen. Dazu gibt Natrium bereitwillig ein Elektron ab
und Chlor nimmt dieses auf. Nun besitzen beide Atome ein sog. Elektronenoktett, d.h. acht
Valenzelektronen. Da Natrium nun aber noch immer 11 positiv geladene Protonen im Kern enthält,
ihm aber ein negativ geladenes Elektron „fehlt“, ergibt sich für das Natrium die Ladung +1 und es
wird nun als Ion (Kation) bezeichnet. Ähnliches gilt für das Chloratom: Es besitzt noch immer 17
Protonen im Kern, hat aber nun 18 Elektronen, wodurch sich eine Ladung von -1 für das Chlorid-Ion
(ein Anion) ergibt. In einer Reaktionsgleichung werden die Valenzelektronen meist als Punkte
dargestellt:


Na+ + Cl
-



 
Na + Cl
In der Darstellung nach dem Bohrschen Schalenmodell sieht es wie folgt aus:
Aufgrund der unterschiedlichen Ladungen werden die Ionen zusammengehalten. Die
Anziehungskraft wird als elektrostatische Anziehung und die auf diesem Wege gebildete Bindung als
Ionenbindung bezeichnet. Das durch die Ladung induzierte elektrische Feld eines Ions ist in der Regel
nicht gerichtet, d.h. es zielt nicht nur auf ein Ion der entgegengesetzten Ladung, sondern in alle
Richtungen auf benachbarte Ionen in gleichem Maße. Daher lagern sich Stoffe, welche durch
Ionenbindungen zusammengehalten werden, wie z.B. das hier gebildete Natriumchlorid, in Form von
Ionenkristallen zusammen. Darin liegen die Anionen (z.B. Cl-) und die Kationen (z.B. Na+)
abwechselnd nebeneinander. Solche Stoffe werden Salze genannt.
Chlorgas trifft auf elementares Natrium
Protokoll A06
Abb. 4: 3D-Modell der Natriumchloridstruktur
(Chlor = grün, Natrium = blau)[1b]
Die Ionenbindungen treten vor allem bei Verbindungen auf, bei denen die Elektronegativitäten (EN)
der Reaktionspartner eine Differenz von > 2 aufweisen. Eine Differenz von 2 entspricht in etwa einem
50 %igen ionischen Charakter. Bei geringeren Differenzen liegen überwiegend kovalente, bei
größeren Differenzen überwiegend ionische Bindungen vor.
Stoffe die aus einem Halogenatom und einem Metallatom bestehen, werden auch als Halogenide
bezeichnet. Bei ihrer Benennung wird zuerst das Metall und dann das Halogen genannt. Der
entstehende Name wird dann um die Endung -id ergänzt: Natrium + Chlor = Natriumchlorid
Natriumchlorid (NaCl, „Steinsalz“) ist den meisten als Kochsalz bekannt. Es ist in großen
Salzlagerstätten in der norddeutschen Tiefebene, in Galizien oder im Salzkammergut in Österreich zu
finden. Darüber hinaus sind riesige Mengen (3,6 · 1016 t) an Natriumchlorid im Meerwasser gelöst
und 1015 t liegen als festes Steinsalz darin vor. Gewonnen wird es entweder durch bergmännischen
Abbau, durch Aussolung (Eindampfen wässriger Lösungen) oder durch Einleiten des Meerwassers in
sog. Salzgärten warmer Länder (die Sonne lässt das Wasser verdunsten und das Salz bleibt zurück).
Verwendung findet es als Speisesalz zum Würzen und zum Konservieren von Lebensmitteln
(Pökelsalz). In der chemischen Industrie dient es zum Aussalzen organischer Verbindungen sowie zur
Darstellung fast aller Natriumverbindungen wie Soda (Natriumcarbonat, Na2CO3), Ätznatron
(Natriumhydroxid, NaOH) oder Glaubersalz (Natriumsulfat, Na2SO4).
Die Schwefelsäure in der ersten Gaswaschflasche hat nur die Funktion, durch ihre stark
hygroskopische Wirkung die im Chlorgas eventuell vorhandene Feuchtigkeit zu binden, damit das Gas
möglichst trocken und rein zum Natrium gelangt. Die Natriumhydrogencarbonat-Lösung nimmt einen
eventuellen Überschuss an Chlorgas auf, damit dieses möglichst nicht aus der Apparatur ausströmt.
Anschließend werden die gelösten Stoffe mit Natriumthiosulfat-Lösung in ungefährliche Produkte
überführt.
Chlorgas trifft auf elementares Natrium
Protokoll A06
Methodisch didaktische Analyse
Einordnung
Nach dem hessischen Lehrplan G8 ist der Versuch in die Stufe 8G.2 im Thema „Ordnung in der
Vielfalt, Atombau und Periodensystem“ und in das Unterthema „2.4 Alkalimetalle“ einzuordnen.
Dabei sollen chemische Reaktionen gezeigt werden, wobei dieser einen ausgezeichneten
Alltagsbezug herstellt, da jeder Schüler Kochsalz als Speisesalz, aber meist nicht als chemische
Verbindung kennt. Darüber hinaus kann hier gut auf die Gruppen der Salze und Halogenide
übergeleitet werden. Daher kann der Versuch auch unter Punkt „2.5 Halogene“ in der gleichen
Jahrgangsstufe eingesetzt werden.
Die Schüler sollten dazu mit dem Schalenmodell zum Aufbau von Atomen vertraut sein. Als
Nachfolgeversuch bietet sich „A07 Nachweis der Kochsalzbestandteile“ an, in welchem das Produkt
aus dem vorliegenden Versuch analysiert wird.
Aufwand
Die Vor- und Nachbereitung sind sehr aufwendig, vor allem der Aufbau nimmt sehr viel Zeit in
Anspruch. Die Kosten halten sich in Grenzen, nur die Schläuche müssen jedes Mal ausgetauscht
werden, da sie durch das stark ätzende Chlorgas angegriffen werden. Der Geräteaufwand ist auch
relativ groß, aber die Materialien sollten alle in der Sammlung vorhanden sein. Bei Chlorgas könnte
dem nicht so sein.
Durchführung
Der Versuch funktioniert sehr gut, wenn das Chlorgas zu Beginn durch die Apparatur strömt. Stellt
man den Gasstrom erst an, wenn das Natrium zu glühen beginnt (wie in der Vorschrift angegeben),
so verglüht ein Großteil zu einem schwarzen Rückstand, bevor das Gas das Natrium erreicht und
reagiert nicht zu Natriumchlorid. Der Versuch sollte aufgrund des giftigen Chlorgases nur vom Lehrer
in einem gut funktionierenden Abzug durchgeführt werden. Aufgrund des hohen Aufwands wird aber
empfohlen, das vorliegende Video zu zeigen.
Zunächst wurde überlegt, das Chlor in einer angeschlossenen Apparatur selbst zu entwickeln, anstatt
eine Chlorbombe einzusetzen. Allerdings zeigte sich beim Probedurchlauf ein unzureichender, weil
unregelmäßiger Gasstrom, welcher nicht genug Chlor lieferte, um die gewünschten Effekte zu
erzielen.
Fazit
Ein sehr effektvoller, anschaulicher Versuch zur exothermen Reaktion zwischen Alkalimetallen und
Halogenen, wobei Salze (hier das aus dem Alltag bekannte Kochsalz) gebildet werden. Nur der
Aufbau ist unter Umständen relativ zeitaufwendig.
Chlorgas trifft auf elementares Natrium
Protokoll A06
Literaturangaben
Versuchsquelle
Boeck, H.: Chemische Schulexperimente Band 3, Seite 381ff (V 504 d). Frankfurt/M.: Verlag Harri
Deutsch. 1978.
Sekundärliteratur
[1a] FIZ CHEMIE (Fachinformationszentrum Chemie GmbH): Encyclopedia - ChemgaPedia. Zu finden
unter URL: http://www.chemgapedia.de. Letzter Zugriff am 09.04.2010.
[1b] ] FIZ CHEMIE (Fachinformationszentrum Chemie GmbH): Encyclopedia - ChemgaPedia. Zu finden
unter URL:
http://www.chemgapedia.de/vsengine/popup/vsc/de/glossar/n/na/natriumchlorid_00045gitter.glos
.html. Letzter Zugriff am 11.04.2010.
[2] Hessisches Kultusministerium: Lehrplan Chemie Gymnasialer Bildungsgang Jahrgangsstufen 7G
bis 12G. 2008. Zu finden unter URL:
http://www.kultusministerium.hessen.de/irj/HKM_Internet?uid=3b43019a-8cc6-1811-f3efef91921321b2. Letzter Zugriff am 09.04.2010.
[3] Hollemann, A. F.; Wiberg, E.; Wiberg, N.: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. Seiten 120f, 146f,
437, 1281f. 102., stark umgearbeitete und verbesserte Auflage. Berlin, New York: de Gruyter. 2008.
[4] Mortimer, C. E.: Chemie – Das Basiswissen der Chemie. Seiten 96-98. 7., korrigierte Auflage.
Stuttgart, New York: Georg Thieme Verlag. 2001.
[5] Unfallkasse Hessen; Hessisches Kultusministerium: Hessisches Gefahrstoffinformationssystem
Schule - HessGISS. Version 13. 2008/2009.